专利名称：凹腔谐振腔和制造这种凹腔谐振腔的方法
技术领域：
本发明涉及凹腔(re-entrant)谐振腔和制造这种凹腔谐振腔的方法。本发明更具体地但不专门涉及使用表面安装技术制造的凹腔谐振腔和多谐振器滤波器装置。
背景技术：
谐振腔是一种具有由导电表面界定的封闭体积的器件，且其中所述封闭体积可承受振荡电磁场。谐振腔例如可以被用于滤波器，并且具有极好的功率操作能力和低能耗。几个谐振腔可以耦合在一起，以获得复杂的频率选择性能。
谐振腔通常由金属铣成或由金属铸造而成。工作频率决定所需腔的尺寸，而且在微波范围内，尺寸和重量是重要的。在凹腔谐振腔内，在腔体积内的电磁场的电部分和磁部分在几何结构方面基本分离，从而相对于具有相同谐振频率的圆柱形腔的尺寸相比能够使腔的尺寸减小。
因为谐振腔的几何结构形状决定谐振频率，所以要求高机械精确度，并且此外，或者可选地，施加制造前调谐(post-production tuning)。例如，可以提供调谐机构，如凸出到腔体积内可变量并被手动调节的调谐螺钉。图l示意性地图示了包括手动调节的调谐机构的凹腔谐振腔l。腔l具有封闭体积2，所述封闭体积由圆柱形外壁3、端壁4和5、和从端壁中的一个端壁4延伸的凹腔短柱(stub) 6限定。电场集中在短柱6的端面8与面对所述端面的腔壁5的部分9之间的电容间隙7内。端面8包括与短柱6的纵向轴线X-X对齐的盲孔IO。调谐螺钉11从端壁5凸出到孔10内。能量耦合到谐振腔内，并且操作者监控当他相对于端面8在轴向方向上移动调谐螺钉H (如箭头所示)从而改变电容间隙的电容值时对谐振频率的影响。这能够将腔的谐振频率调节到所需值。
减小腔的重量的一个已知方法是用塑料制造腔，并用薄金属膜覆盖腔表面。如果使用铣削形成塑料形状，则难以获得足够的精确度，并且表面 粗糙度是个问题。模制是另一种方法，但是工具昂贵，尤其是当腔组合在 一起作为滤波器时。在典型的多谐振器滤波器中，例如，所包含的谐振器 中的大多数的谐振频率彼此不同。滤波器在功能性方面需要稍微不同的谐 振频率，并因此对于谐振器需要稍微不同的几何结构。因此，如果使用模
制技术，例如，塑料注模，则单个模巢(molding form)必须被构造成限 定所有谐振器。这种复杂的模巢难以制造成具有足够的精确度，并因此产 生大的成本。
2003年费城电气和电子工程师协会国际微波讨论会会刊第1089-1092 页T丄Mueller(T丄Mueller , "SMD-type 42 GHz waveguide fliter，， ， Proc, IEEE Intern. Microwave Symp., Philadelphia, 2003, pp. 1089-1092)的"SMD-type 42 GHz waveguide fliter"说明了使用表面安装焊接制造波导滤波器，其 中，U形金属滤波器部分焊接到印刷电路板(PCB)上，使用镀金属的所 述板限定波导壁中的一个。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种凹腔谐振腔的制造方法，所述凹腔 谐振腔包括导电表面，所述导电表面限定体积并包括延伸到体积内并具有 纵向轴线和端面的凹腔短柱，在端面与表面的面对部分之间具有电容间
隙，所述方法包括以下步骤提供第一腔部分，所述第一腔部分包括凹腔 短柱；提供第二腔部分，所述第二腔部分包括面对部分；构造短柱与面对 部分，使得在短柱与面对部分之间绕纵向轴线的相对转动改变电容间隙的 轮廓(profile),以为至少一个相对转动位置提供间隙电容，所述间隙电容 与另外的相对转动位置的间隙电容相比不同；以及相对于彼此定位第一和 第二腔部分，以获得提供所需的间隙电容的间隙轮廓。
通过使用本发明，可以选择谐振频率，例如，在放置第一和第二腔部 分期间通过定位所述第一和第二腔部分以获得适当的角位移。如果所述第 一和第二腔部分以足够的精确度被制造和定位，这足以整个消除对制造前 调谐(post-productiontuning)的需要，虽然如果需要可以包括额外的调谐 机构。此外，本发明适于自动制造，从而减少或消除了在设定谐振频率中对手动干涉的需要。
凹腔短柱和面对部分被构造成所述凹腔短柱和所述面对部分的有效 重叠随它们的相对角位置变化。凹腔短柱和面对部分的表面可以具有许多 可能形状，随着凹腔短柱和面对部分的相对转动，凹腔短柱和面对部分的 表面将表现间隙电容的期望变化。 一些形状比其它形状在角位置上产生更 大的电容变化，所述更大的电容变化对应于大频率范围。可以通过减小间 隙距离，S卩，通过使间隙更小而得到更大的电容变化。当在平行板电容器 中，电容与间隙距离成反比。
第一腔部分可以是镀金属的塑料制成或者通过模制形成。第二腔部分 可以被基板(例如，印刷电路板(PCB))承载，并不与所述基板成一体。 在PCB的表面上的镀金属可以限定腔的表面。第二腔部分也可以由模制的 镀金属的塑料制成，虽然第二腔部分可选地可完全由金属制成。所述方法 可以涉及将镀金属的塑料部件焊接到适当的位置的表面安装技术。在此技 术的放置和焊接阶段可以调节它们各个腔的谐振频率。因此，例如，第二
腔部分可以表面安装焊接到镀金属的PCB，而第一腔部分也使用表面安装 技术安装在PCB上。由PCB或其它基板提供的特征可以用作用于限定第一 和第二腔部分的角位置的定位装置。在第一和第二腔部分借助于销或类似 物被定位的情况下，例如，PCB可以提供铣削孔。诸如销的特征可以通过 以几乎零成本修改模巢(molding form)增加到模制部件。铣削孔的位置 在零增加成本下可以被制成对于滤波器的每一个谐振器不同，从而使用相 同的谐振器部分获得不同的谐振频率。代替使用铣削孔，或者除所述铣削 孔之外，PCB可以包括蚀刻特征，或者第一腔部分的脚印(footprint)可 以是椭圆形，或者其它非圆形，从而产生对角位置敏感的装置。
在可选的方法中，第二腔部分与腔壁整体地形成，在完成的腔内所述 腔壁与短柱的端面位置相对。然而，当更大的部件需要相对于第一腔部分 可定位在不同的角位置以为不同的电容间隙轮廓提供所需的选择时，这却 导致了更少的设计灵活性。
在根据本发明的另一方法中，通过在基板(例如，PCB基板)上的金 属镀层形成图案限定第二部分。
通过使用本发明，相同的第一腔部分可以包括在具有不同谐振频率的
6各个凹腔谐振腔内。当数量大于每一个谐振频率需要一个单独的模巢的情 况时，这能够使整个加工成本降低。在多个凹腔谐振腔在滤波器装置中组 合时，这尤其便利。而且，相同的第二腔部分可以类似地用于需要具有不 同谐振频率的腔内。因此， 一组凹腔谐振腔可以使用仅用于第一和第二腔 中的每一个的单个形状而被制造成具有大范围的谐振频率，并且在模制、 焊接和放置期间可以保持提供精确度，而不需要制造前手动调谐。
根据本发明的另一方面，凹腔谐振腔包括导电表面，所述导电表面限 定体积并包括具有纵向轴线和端面的凹腔短柱，在端面与表面的面对部分 之间具有电容间隙，短柱和面对部分被构造成在短柱与面对部分之间绕纵 向轴线的相对转动改变间隙的轮廓，以为至少一个相对转动位置提供间隙 电容，所述间隙电容不同于另外的相对转动位置的间隙电容。
根据本发明的另一方面，滤波器装置包括多个凹腔谐振腔，所述多个 凹腔谐振腔中的至少一些包括导电表面，所述导电表面限定体积并包括 具有纵向轴线和端面的凹腔短柱，在端面与表面的面对部分之间具有电容 间隙，短柱和面对部分被构造成在短柱与面对部分之间绕纵向轴线的相对 转动改变间隙的轮廓，以为至少一个相对转动位置提供间隙电容，所述间 隙电容不同于另外的相对转动位置的间隙电容。腔可以安装在共用基板 上。例如，通过蚀刻可以使基板上的镀金属形成图案，以限定第二腔部分， 从而提供紧凑而又耐用的装置。
以下以示例的方式并参照
根据本发明的一些方法和实施例， 其中
图l示意性地图示了目前已知的凹腔谐振腔；
图2示意性地图示了根据本发明的凹腔谐振腔和凹腔谐振腔制造方
法；
图3更详细地示意性地图示了图2的凹腔谐振腔的部分； 图4 (a)和4 (b)示意性地图示了在图2的方法的步骤； 图5示意性地图示了包括多个凹腔谐振腔的滤波器装置；以及 图6-ll示出了根据本发明的另一滤波器装置的部件，其中，第二腔部分由被基板承载的平坦的镀金属限定。
具体实施例方式
参照图2，凹腔微波谐振腔12包括圆柱形壁13，圆柱形壁13在每一端 处分别具有第一和第二端壁14和15以在所述第一和第二端壁之间限定体 积16。短柱17从第一端壁14延伸到体积16内，所述短柱17沿圆柱形壁13的 纵向轴线X-X定位。圆柱形壁13、第一端壁14以及短柱17整体地形成为单 个模制塑料部件18，所述模制塑料部件的内部表面被镀银层。第二端壁15 由被印刷电路板基板19承载的金属镀层限定。圆柱形壁13在制造器件期间 在表面安装焊接过程中通过放下的焊料20连接到金属镀层。
短柱17的端面21限定在所述端面与第二端壁15的面对部分23之间的 间隙22。第二端壁15的面对部分23由突起部(rostrum) 24形成，在本实施 例中，所述突起部的直径基本与短柱17的直径相同。突起部24是镀金属的 模制塑料件，所述镀金属的模制塑料件没有与腔12的其它部分成一体，而 是被焊接在基板19上的适当位置。图3更详细地示出了凹腔短柱17的下端 和突起部24。短柱17的端面21被构造成部分21a位于一个平面内，而另一 部分21b位于不同的平行的平面内，且部分21a与部分21b之间的界限跨越 端面21b的直径。突起部24的面对部分23也位于不同的平面内。中心部分 23a位于一个平面内，而侧部分23b(在图3中只能看到侧部分23b中的一个) 位于不同的平面内。
腔12具有经由基板19内的铜轨迹25用于信号能量的输入和经由另一 铜轨迹26的输出。这些用于将能量耦合进和耦合出腔体积16，并允许腔12 容易地耦合到其它类似地腔以形成例如滤波器。
在腔的制造中，首先使用注模制造包括短柱17、圆柱形壁13和端壁14 的单个模制塑料部件18。对在完成的器件中将在腔的内部的表面施加镀金 属处理。通过喷镀施加镀金属处理，虽然其它方法也可以实现用于电目的 的充足完全涂布。突起部24也被注模和镀金属。突起部24然后位于由镀金 属的基板19承载的焊料焊盘上。突起部24相对于短柱17的端面21的角位置
被选择，以在所述突起部与所述端面之间的间隙中提供所需的电容。因此， 如果短柱17如图3中所示定向，则突起部24可以相对于短柱17如图4 (a)或图4 (b)中所示被定位。在图4 (a)中所示的角对准中，突起部24和短 柱17相对被定位成在电容间隙处提供最大电容，而当突起部24如图4 (b) 中所示被定位时，相对位置则提供最小电容。其它中间位置提供在最大值 与最小值之间的间隙电容。
参照图5，滤波器包括多个凹腔谐振腔27,每一个谐振腔都类似于图l 中所示的谐振腔，并经由在共用基板29中的导电轨迹28连接。腔包括相同 的模制部件18和相同的突起部24。每一个突起部都在其底表面处包括至少 一个定位销30。印刷电路板基板29包括多个孔，定位销与所述多个定位孔 相互接合。在制造期间，每一个突起部在使用表面安装技术被焊接到适当 位置之前通过孔的位置被定位在所需的角定向中。因此，在使用相同的腔 部分时，腔的谐振频率可以被制成不同。
在根据本发明的用于制造滤波器的其它方法中，不同的突起部结构可 以与包括短柱的相同的第一腔部分一起使用。虽然仍旧获得了能够使用相 同的、更复杂的第一腔部分这样的益处，但是制造不同形状的可利用的突 起部可以增加利用第一腔部分的形状可获得的频率范围。而且，不是包括 在滤波器内的所有谐振腔必需为本发明所涉及的类型。
参照图6，滤波器装置31包括凹腔谐振腔32、 33和34，且每一个分别 具有圆柱形壁35、 36和37以及分别居中定位的凹腔短柱38、 39和40。每一 个腔还包括端壁，为了清楚起见，所述端壁在图6中被省略。在每一个腔 内，圆柱形壁、短柱和结合所述圆柱形壁和所述短柱的端壁形成为通过模 制制造的镀金属的单个塑料部件。如图6中所示，每一个短柱具有位于多 于一个平面并且非圆形对称的端面，并且它们在同一方向上被定向。圆柱 形壁35、 36和37安装在PCB基板41上，所述PCB基板具有在介电层43上的 金属镀层42，且圆柱形壁35、 36和37焊接到金属镀层42。图7是类似于图6 的图，除了圆柱形壁被省略以更清楚地展现金属镀层42的图案。
图8示出了PCB基板41。金属镀层42被蚀刻以清除金属区域44、 45和 46，同时留下非圆形金属片47、 48和49。非圆形金属片47、 48和49在完成 的滤波器装置31中分别为腔35、 36和37的第二腔部分。片47、 48和49被定 向在不同的角位置中，使得与它们各自的短柱38、 39和40组合产生不同的 间隙电容，并因此对腔32、 33和34产生不同的谐振频率。图9仅示出了基板41的上金属层42。图10示出了在金属镀层42的下方 的基板41的介电层43内的金属填充孔50的图案。孔50使被蚀刻的金属镀层 42与在介电层43的另一侧上的第二金属层51连接。第二金属层51限定导电 腔表面的部分，所述导电腔表面限定体积，在每一个腔工作期间，电磁场 在所述体积内建立。如图ll中所示，第二金属层51是连续的。然而，第二 金属层51可以包括开口，以允许信号耦合进和耦合出腔。PCB基板41可以
包括另外的层，从而例如包括嵌入在多层介电结构中的耦合铜轨迹。
本发明在不脱离其本质特征的情况下可以以其它具体形式实施，并通 过其它方法实现。在所有方面，所述实施例和方法被认为仅作为示例而不 是限制。因此，本发明的保护范围由所附权利要求指定，而不是由前面的 描述指定。在权利要求等价物的意思和范围内的所有改变都包括在本发明 的保护范围内。
权利要求
1.一种制造凹腔谐振腔的方法，所述凹腔谐振腔包括导电表面，所述导电表面限定体积和延伸到所述体积内并具有纵向轴线和端面的凹腔短柱，在所述端面与所述表面的面对部分之间具有电容间隙，所述方法包括以下步骤提供第一腔部分，所述第一腔部分包括所述凹腔短柱；提供第二腔部分，所述第二腔部分包括所述面对部分；构造所述短柱与所述面对部分，使得所述短柱与所述面对部分之间的绕着所述纵向轴线的相对转动改变所述电容间隙的轮廓，以为至少一个相对转动位置提供间隙电容，所述间隙电容与另外的相对转动位置的间隙电容相比不同；以及相对于彼此定位所述第一和第二腔部分，以获得提供所需的间隙电容的间隙轮廓。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述第一腔部分由镀金属的塑 料制成，并且所述方法包括通过模制形成所述第一腔部分的步骤。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一腔部分是整体模 制的镀金属的塑料部件，所述部件包括圆柱形壁、所述短柱和第一端壁， 所述短柱被所述圆柱形壁包围，并在沿所述圆柱形壁的所述纵向轴线的方 向上从所述第一端壁延伸。
4. 根据权利要求l-3中任一项所述的方法，其中，所述第二腔部分由 基板承载。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述基板包括用于角定位所述 第二腔部分的定位装置。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述基板是镀金属的基板， 并且所述第二腔部分通过使镀金属形成图案而限定。
7. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述短柱的所述端 面位于两个平行的平面内。
8. 根据前述任一项权利要求所述的方法，包括步骤 制造多个凹腔谐振腔并将所述多个凹腔谐振腔连接在一起以形成滤波器装置。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个凹腔谐振腔中的至少一些谐振腔每一个均包括相同的第一腔部分并且具有不同的谐振频率。
10. —种凹腔谐振腔，所述凹腔谐振腔包括导电表面，所述导电表面 限定体积并包括具有端面和纵向轴线的凹腔短柱，在所述端面和所述表面 的面对部分之间具有电容间隙，所述短柱与所述面对部分被构造成使所述 短柱与所述面对部分之间的绕着所述纵向轴线的相对转动将改变所述间 隙的轮廓，以为至少一个相对转动位置提供间隙电容，所述间隙电容与另 外的相对转动位置的间隙电容相比不同。
11. 一种滤波器装置，所述滤波器装置包括多个凹腔谐振腔，所述多 个凹腔谐振腔中的至少一个谐振腔包括导电表面，所述导电表面限定体积 并包括具有端面和纵向轴线的凹腔短柱，在所述端面和所述表面的面对部 分之间具有电容间隙，所述短柱与所述面对部分被构造成使得所述短柱与 所述面对部分之间的绕着所述纵向轴线的相对转动将改变所述间隙的轮 廓，以为至少一个相对转动位置提供间隙电容，所述间隙电容与另外的相 对转动位置的间隙电容相比不同。
12. 根据权利要求ll所述的滤波器装置，其中，所述多个凹腔谐振腔 中的至少一些谐振腔包括部件，所述部件包括凹腔短柱并且对于各个不同 的谐振腔形成相同的形状，并且所述凹腔短柱和与其对应的面对部分处于 不同的角关系，使得所述至少一些谐振腔提供各个不同的间隙电容。
全文摘要
本发明涉及一种凹腔谐振腔及其制造方法和一种滤波器装置。凹腔谐振腔(12)包括第一镀金属的模制塑料部件(18)，部件包括凹腔短柱(17)、端壁(14)和圆柱形侧壁(13)。部件(18)被表面安装焊接在镀金属的PCB基板(19)上。突起部(24)被定位成面对短柱(17)的端面(21)，以利用其限定电容间隙(22)。短柱(17)的端面(21)和突起部(24)被构造成所述短柱与所述面对部分之间相对转动改变间隙(22)的轮廓，并因此改变间隙电容。通过在制造期间适当地定位两个部件，基于短柱(17)与突起部(24)的相对角位置可以选择具体的电容，以从可利用的旋转提供期望的谐振频率。在另一腔中，突起部被印刷电路板的被蚀刻的金属镀层代替。
文档编号H01P11/00GK101517822SQ200780034919
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月10日 优先权日2006年9月20日
发明者简·黑塞尔巴斯 申请人:朗讯科技公司